城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)分析

梁軍

摘 要：城市軌道交通能夠極大緩解城市交通壓力，對(duì)城市的發(fā)展起到了重要的作用，在對(duì)城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計(jì)分析時(shí)，必須要做好橋梁抗震設(shè)防分類、標(biāo)準(zhǔn)以及性能的有效確定，并進(jìn)行深入研究，然而在實(shí)際的高架橋梁抗震設(shè)計(jì)分析中，由于難以得到橋梁抗震結(jié)構(gòu)相應(yīng)的精確值，使得抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)力和變形特征很難有效把握，所以只有加強(qiáng)對(duì)城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計(jì)分析，并結(jié)合設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)，才能設(shè)計(jì)出合理的抗震需求。

關(guān)鍵詞：軌道交通;橋梁抗震;設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在城市的快速發(fā)展中，城市軌道交通具有運(yùn)量大和速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以能夠有效緩解當(dāng)今城市的交通運(yùn)輸壓力，然而在城市軌道交通高架橋梁的設(shè)計(jì)過程中，就必須做好高架橋梁的防震措施，這是因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǜ呒軜蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)中的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸和配筋都由地震的實(shí)際情況決定，在抗震分析中，只有使其具有合理的抵抗地震破壞能力，才能更好地推動(dòng)城市軌道交通的發(fā)展。

1 城市軌道交通抗震的分類和目標(biāo)

1.1 抗震設(shè)防的分類

根據(jù)地震后，城市軌道交通遭受的破壞程度、人員傷亡、直接損失、間接損失以及社會(huì)影響程度等，在抗震救災(zāi)中對(duì)各類建筑進(jìn)行設(shè)防劃分[1]。由于抗震設(shè)防分類關(guān)系到人們的生命安全以及社會(huì)等各方面的因素，所以在城市軌道交通抗震的接受程度、設(shè)計(jì)工作的實(shí)際操作中，合理界定城市軌道交通系統(tǒng)中不同的結(jié)構(gòu)抗震類別，這也是抗震設(shè)計(jì)工作的必要前提條件。

1.2 抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通隨著不斷的發(fā)展和衍變，在重要的區(qū)域設(shè)計(jì)大跨度的橋梁類型時(shí)，往往投資巨大，且設(shè)計(jì)和施工的難度又非常高，因此對(duì)地震作用下的結(jié)構(gòu)安全也提出了更高的要求?；诖?，在城市軌道交通的抗震設(shè)防中，需要做好抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到軌道交通線路的連續(xù)性和局限性的特點(diǎn)，在制定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就需要嚴(yán)格考慮到線路的整體安全性。

1.3 抗震設(shè)防的目標(biāo)

城市軌道交通高架橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中常用的設(shè)防目標(biāo)有單一設(shè)防水準(zhǔn)、雙水準(zhǔn)以及三水準(zhǔn)等方式。針對(duì)正在完善和發(fā)展的基于性能抗震設(shè)計(jì)思路，可以針對(duì)不同結(jié)構(gòu)采取多水準(zhǔn)設(shè)防和多性能設(shè)防的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并對(duì)不同程度地采用基于性能的抗震思想設(shè)計(jì)。在地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能中，需要各類結(jié)構(gòu)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的性能需求，做到小幅度地震不會(huì)損壞，大幅度地震不會(huì)倒塌，中幅度地震只需要維修即可的方式。

2 鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系

2.1 鋼筋混凝土墩柱模擬

使用鋼筋混凝土墩柱對(duì)高架橋梁混凝土墩柱進(jìn)行計(jì)算，采取三維非線性梁柱纖維的方式，并以硬化的修正模型為主。然而在實(shí)際的鋼筋對(duì)主墩截面中進(jìn)行纖維劃分時(shí)，還需要確保鋼筋混凝土纖維的約束性和非約束性材料模型構(gòu)建[2]。為了更好地考慮到地震的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)的加速時(shí)程不得少于三組，并根據(jù)工程地震的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)報(bào)告分析。

2.2 支座模擬

由于高架橋梁抗震設(shè)計(jì)中，通過支座模擬的方式，采取減隔震效果的球形鋼支座，能夠使該支座的力學(xué)性能被簡(jiǎn)化，最終為雙線性恢復(fù)力學(xué)模型，如圖1所示。在支座荷載中，K1是指滑移前水平剛度，K2是指屈后剛度，Kelf是指等效剛度，D是指水平位移，Dy是指靜摩擦屈服位移，Dd是指設(shè)計(jì)水平的位移，F(xiàn)是指水平回復(fù)力，F(xiàn)d是指最大的回復(fù)力，F(xiàn)ly是指支座起滑力。

2.3 橋梁樁基的模擬

對(duì)橋梁樁基地震模擬分析中，需要考慮到樁、土結(jié)構(gòu)之間的相互作用，當(dāng)前在施工中采取的主要方法就是將地基和基礎(chǔ)離散作為質(zhì)量、癱瘓、阻尼系統(tǒng)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)與橋梁樁基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有效整合。在這個(gè)過程中，需要沿著深度方向輸入對(duì)應(yīng)的土層進(jìn)行地震反應(yīng)分析，將各單樁按照不同的方式集中為質(zhì)點(diǎn)，并將兩個(gè)不同水平方向的群樁節(jié)點(diǎn)加入其中，才能有利于對(duì)土層場(chǎng)地振動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效的加速效果，對(duì)基地彈簧的假定常用公式如下σzx=mzxz，公式中的σzx是指土體對(duì)樁的橫向抗力，z是指土層的深度，而xz則是指樁在z處的橫向位移[3]。因此可以得出分層土彈簧的剛度公式如下，，公式中的a是指土層的厚度，bp是指樁的計(jì)算寬度，m是指土的振動(dòng)比例系數(shù)，一般取值2～3倍左右。

2.4 阻尼模擬

由于在地震作用下的彈塑性響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)黏滯阻尼耗能通常會(huì)采用瑞利阻尼比例，且阻尼系數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量和初始剛度決定的，其計(jì)算公式如下，C=aM+bK，其中a，b是指比例系數(shù)，并由兩個(gè)固定的特有頻率組成，分別是wi，wj和對(duì)應(yīng)的振型阻尼比ξ i，ξ j并從以下兩個(gè)公式中可以得到對(duì)應(yīng)的a和b的數(shù)據(jù)，其公式分別如下，。

3 基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)范設(shè)計(jì)方法

在城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，大部分情況下都需要按照保護(hù)原則進(jìn)行基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行[4]。隨著抗震設(shè)計(jì)逐漸變得規(guī)范化后，采用橋墩底部地震力參與最不利荷載組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度的驗(yàn)算，當(dāng)城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)在允許地震范圍的情況下，才能將地震的基礎(chǔ)帶入到一定程度的非線性狀態(tài)，以此判定基礎(chǔ)的穩(wěn)定水平。

3.2 傾斜樁抗震設(shè)計(jì)

當(dāng)前大部分城市軌道交通橋梁中，很少采取傾斜樁基礎(chǔ)，但如果是跨海大橋的設(shè)計(jì)中，為了更好地增強(qiáng)基礎(chǔ)水平的剛度，就需要設(shè)置一定數(shù)量的傾斜樁。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展速度越來越快，軌道交通線路也在不斷擴(kuò)展，為了更好地滿足軌道交通的基礎(chǔ)運(yùn)行剛度需求，依舊有可能采用傾斜樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)。針對(duì)抗震工程的設(shè)計(jì)研究，地震中高樁碼頭斜樁損壞較為明顯，和豎直樁相比，地震中傾斜樁的承受力比較大，并且還需要分擔(dān)著較大的水平地震力，因此屬于重要的抗側(cè)力構(gòu)件。而在對(duì)樁群承受豎向與橫向載荷的過程中，斜樁通常也存在一定的優(yōu)勢(shì)，能夠減少水平位移的情況發(fā)生，但如果有豎向或者水平土體位移的情況，群樁的工作特性就不會(huì)受到較大的影響。

4 城市軌道交通高架橋梁抗震反應(yīng)分析

4.1 高架橋梁計(jì)算模型

城市軌道交通高架橋梁抗震反應(yīng)分析時(shí)，必須對(duì)高架橋梁計(jì)算模型進(jìn)行有效分析，采用有限元空間的方式，建立起模型分析，才能確保橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。而在高架橋梁模型的建模過程中，還需要針對(duì)橋梁的主梁、橋墩和承臺(tái)等單元進(jìn)行模擬，有利于更好地計(jì)算出高架橋梁的模型圖，如圖2所示。

4.2 高架橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

在高架橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的建模中，必須采取多重向量的方式對(duì)高架橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征進(jìn)行求解。但由于橋梁成橋前，一般會(huì)有10個(gè)階段的自振頻率以及振型周期性的特點(diǎn)。這10個(gè)階段的自振頻率周期一般都處于1.211 s～

2.055 s之間，所以能夠同時(shí)做到縱向與橫向振動(dòng)。

4.3 常遇地震工況下強(qiáng)度驗(yàn)算

首先是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算中，在城市軌道交通高架橋梁抗震分析中，應(yīng)分別計(jì)算順橋與橫橋的水平地震作用。其次是對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)算時(shí)，如果遇到地震時(shí)，高架橋梁結(jié)構(gòu)就必須處于彈性工作的階段中，有利于更好地控制墩底截面的強(qiáng)度，其中混凝土最大應(yīng)力為13.7，鋼筋最大應(yīng)力為112.71，混凝土容許壓應(yīng)力為20.25，鋼筋容許應(yīng)力為270。而各控制墩底截面強(qiáng)度驗(yàn)算中，混凝土最大應(yīng)力為11.8，鋼筋最大應(yīng)力為98.48，混凝土容許壓應(yīng)力為20.25，鋼筋容許應(yīng)力為270。通常情況下，在對(duì)城市軌道交通高架橋梁抗震混凝土預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于受彎矩的影響，使得偏心受壓構(gòu)件的最小配筋率必須不低于0.15%，因此就必須考慮到橋墩作為偏心受壓構(gòu)件，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)墩身最小配筋率的有效驗(yàn)算，而主筋直徑和根數(shù)分別是順橋向φ28/23和橫橋向φ28/16時(shí)，順橋向配筋率為0.31%，最小配筋率為0.15%，橫橋向配筋率為0.22%，最小配筋率為0.15%，同時(shí)能夠滿足墩身的需求。

5 結(jié)束語

城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計(jì)分析過程中，必須要遵循城市軌道交通的特點(diǎn)和社會(huì)因素，才能確保高架橋梁的抗震效果，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的研究成果，計(jì)算地震反應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容，并采用能力保護(hù)原則明確的情況，最終完成結(jié)構(gòu)既定的功能目標(biāo)需求。

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